PROJETOS DE FONTE DE ALIMENTAÇÃO

Alexandre Mazzei

A tensão fornecida pela concessionária de energia elétrica é alternada ao passo que os dispositivos eletrônicos operam com tensão contínua. Então é necessário retificá-la e isto é feito através dos circuitos retificadores que convertem corrente alternadas em corrente contínua. Temos os retificadores monofásicos que são utilizados em aparelhos eletrônicos e os retificadores polifásicos para uso em circuitos industriais de alta potência.

Fonte Meia onda

Utilizada para alimentação de pequenos circuitos onde não serão necessárias filtragem excessiva e estabilidade de tensão. Este circuito poderá ser projetado com um transformador center tape (derivação central) e um Trafo sem derivação.

Na escolha do diodo deve ser considerados como primordiais dois parâmetros:

Tensão Máxima de Ruptura

A tensão de ruptura é a tensão máxima a partir da qual um diodo polarizado reversamente passa a conduzir corrente elétrica. Tal situação não é desejada, exceto em casos específicos em que se utilizam diodos zener.

Deve-se lembrar de que quando o diodo está polarizado a um Trafo de corrente alternada este enviará um sinal alternado que deixará o diodo polarizado diretamente e em outro tempo polarizado reversamente. É neste ponto que iremos levar em consideração a tensão do Trafo no secundário. Veja:

O diodo tem a característica de conduzir corrente somente num sentido e devido a esta característica unidirecional, o mesmo é utilizado para retificar. O diodo ideal com polarização direta comporta como uma chave fechada e com polarização reversa comporta como uma chave aberta. O diodo real tem resistência direta muito baixa e resistência reversa muito alta.

Funcionamento do circuito

Para o ponto A positivo em relação ao ponto B o diodo está polarizado diretamente e conduz . Com isto, a corrente circula de A até B passando pelo diodo e RL.

Para A negativo em relação a B, o diodo está polarizado inversamente e não conduz. Tem-se corrente em RL, somente, nos semiciclos positivos de entrada. Os semiciclos positivos passam para a saída e os semiciclos negativos ficam no diodo. A frequência de ondulação na saída é igual à frequência de entrada. O retificador de meia onda tem baixa eficiência.

Como não conduzirá o semiciclo negativo, a tensão será a média geométrica de sua trajetória. Sendo o comprimento de onda de sua trajetória circular. Como não temos o comprimento da circunferência teremos apenas a relação entre seu diâmetro que é a constante PI

π = C/d onde C é o comprimento e d é o diâmetro

Vcc = Vp /C/d

VCC = VP / π

Ou como 1/ π é :

1/3,14 = 0,318, temos então:

VCC = 0,318 . Vp

Como o Vp é raiz de 2, vezes Vef, temos também:

Vcc= 0,318 raiz de 2 V∙ ∙ ef

Vcc= 0,318 1,4142 V∙ ∙ ef

Vcc = 0,45 V∙ ef

Formas de onda considerando um diodo ideal VCC é o valor médio da tensão contínua em RL.

Vp é o valor de pico da tensão sendo Vef o valor eficaz ou rms da tensão alternada no secundário do transformador.

IL = VCC / RL

A corrente do diodo é a corrente do secundário, pois o diodo retificador está em série com o diodo, temos:

ID = IL = IL = VCC / RL

Para efeito de saber qual é a tensão máxima e a corrente máxima que o diodo deverá suportar para escolhermos o diodo com tensão de ruptura adequada, devemos calcular o pico da tensão e da corrente.

IP = VP / RL

Sendo IP o valor de pico da corrente

IL é o valor médio da corrente em RL

ID é o valor médio da corrente no diodo.

Tensão eficaz em RL = VP / 2, mas a tensão eficaz na entrada é P IV = -- VP sendo PIV o pico inverso de tensão no diodo. O diodo deve suportar uma tensão inversa maior do que P IV e uma corrente direta maior que ID.

Exemplo:

As especificações para o diodo 1N4007 são Imax = 1A e V r max = 1000V. Este diodo suporta então uma corrente direta de 1A e uma tensão reversa de 1000V.

Exercício de Fixação

Sendo a o valor eficaz da tensão no secundário VAB = 18 V, RL = 470Ω. Determine:

a) Tensão de Ruptura Inversa no diodo (Piv)

PIV = - 25,4 V

b) Tensão média na saídaVCC = 8,1 V

c) Corrente Média no secundário do Trafo e a Corrente Média no diodo

IL = 17,2 mA ID = 17,2 mA

d) Corrente máxima de Pico na Carga.IP = 54 mA.

Invertendo o diodo, a tensão de saída será negativa.

O diodo conduz, somente, durante os semiciclos negativos. Os semiciclos positivos ficam no diodo.

Retificador de onda completa utilizando transformador com derivação central.(center tape)

Funcionamento do circuito.

Este circuito é também denominado de retificador de onda completa convencional. Há uma defasagem de 180º entre as tensões de saída do transformador, VA e VB. As tensões VA e VB são medidas em relação ao ponto C (0V). Quando A for positivo, B será negativo, a corrente sai de A passa por D1 e RL e chega ao ponto C. Quando A for negativo, B será positivo, a corrente sai de B passa por D2 e RL e chega ao ponto C. Para qualquer polaridade de A ou de B a corrente IL circula num único sentido em RL e por isto, a corrente em RL é contínua. Somente os semiciclos positivos de A e de B passam para a saída. A frequência de ondulação na saída é o dobro da frequência de entrada.

Formas de onda considerando diodo ideal

Como a frequência da saída de um retificador de onda completa é o dobro da entrada, temos:

VCC = 2.VP / π

Ou podemos representar pelo valor médio.

VCC = 0,9.Vef

Onde VCC é o valor médio da tensão contínua em RL. E VP é o valor de pico da tensão. Vef é o valor eficaz da tensão de entrada (Vef = VAB / 2)

IL = VCC / RL

No circuito retificador de meia onda, IL era igual a Ip. No circuito de onda completa, circulará no diodo a metade da tensão no Trafo. Temos então:

ID = IL / 2

A corrente máxima de pico na carga será:

IP = VP / RL

Onde IP é o valor de pico da corrente e RL a corrente da Carga.

IL é o valor médio da corrente em RL e ID é o valor médio da corrente nos diodos. A Tensão eficaz de saída é igual a Tensão eficaz de entrada. Considerando o diodo ideal.

O Pico de tensão inversa nos diodos (PIV) é o pico negativo da tensão VAB.

Exercícios de Fixação

1) Sendo a o valor eficaz da tensão na saída do Trafo VAB = 18 V, RL = 470 ohms, determine:

a) Tensão de ruptura nos diodos.PIV = - 25,4 V

b) Tensão média na saída.

VCC = 8,1 V

c) Corrente média da saída no Trafo e nos diodos considerando o diodo ideal.IL = 17,2 mA e ID = 8,6 mA

d) Corrente de pico no diodo (Ip)IP = 27 mA

Invertendo os dois diodos, a tensão de saída será negativa. Os diodos D1 e D2 conduzem os semiciclos negativos de A e de B para a saída.

Se inverter somente um dos diodos tem-se uma sobrecarga que poderá danificar os diodos e o transformador.

Retificador de Onda Completa em ponte

Funcionamento do circuito.

O retificador em ponte dispensa o uso do transformador com tomada central e com isto, pode-se ter um retificador de onda completa ligado diretamente à rede elétrica. Quando A é positivo em relação a B, a corrente sai de A passa por D1, RL, D3 e chega ao ponto B. Quando A é negativo em relação a B, a corrente sai de B passa por D2, RL, D4 e chega ao ponto A.. Conduzem somente dois diodos de cada vez. Quando o ponto A é positivo D1 e D3 conduzem. Quando o ponto A é negativo D2 e D4 conduzem. Para qualquer polaridade de A ou de B a corrente IL circula num único sentido em RL e por isto, a corrente em RL é contínua. Somente os semiciclos positivos passam para a saída. A freqüência de ondulação na saída é o dobro da frequência de entrada

Formas de onda considerando diodo ideal

VP é o valor de pico da tensão e Vcc a tensão média

VCC = VP / π

Ou podemos calcular com o valor eficaz do Trafo.

VCC = 0,9.Vef

VCC é o valor médio da tensão contínua em RL. Vef é o valor eficaz ou rms da tensão de entrada (VAB).

IL = VCC / RL

ID = IL / 2.

IL é o valor médio da corrente em RL e ID é a Corrente média nos diodos. O valor de pico da corrente será:

IP = VP / RL

A Tensão eficaz de saída é igual a Tensão eficaz de entrada.

PIV nos diodos é o pico da tensão VAB.

PIV = VAB.

Nota: Desprezou-se 1,4V de queda de tensão nos diodos. Tem-se uma queda de 1,4 V visto que conduzem 2 diodos ao mesmo tempo.

Exercícios de Fixação

1) Sendo a o valor eficaz da tensão VAB = 30 V, RL = 820 ohms, determine:

a) Pico de Tensão de ruptura reversa no diodo. PIV = 42,3 Vb) Tensão média na saída.VCC = 27 Vc) Corrente média na saída.IL = 3 mA e ID = 16,5 mAd) Corrente máxima de pico na carga.IP = 51,6 mA

Invertendo os quatro diodos, a tensão de saída será negativa.

Quando A é positivo em relação a B, a corrente sai de A passa por D4, RL, D2 e chega ao ponto B. Quando A é negativo em relação a B, a corrente sai de B passa por D3, RL, D1 e chega ao ponto A.. Quando o ponto A for positivo D2 e D4 conduzem. Quando o ponto A for negativo D1 e D3 conduzem.

Filtros para fontes de alimentação

Entendendo a tensão de uma bateria ou da pilha

A ondulação na saída do circuito retificador é muito grande o que torna a tensão de saída inadequada para alimentar a maioria dos circuitos eletrônicos. É necessário fazer uma filtragem na tensão de saída do retificador. A filtragem nivela a forma de onda na saída do retificador tornando-a próxima de uma tensão contínua pura que é

A maneira mais simples de efetuar a filtragem é ligar um capacitor de alta capacitância em paralelo com a carga RL e normalmente, utiliza-se um capacitor eletrolítico. A função do capacitor é reduzir a ondulação na saída do retificador e quanto maior for o valor deste capacitor menor será a ondulação na saída da fonte.

Filtro a capacitor para retificador de meia onda.

No semiciclo positivo o diodo conduz e carrega o capacitor com o valor de pico (VP) da tensão. Assim que a tensão de entrada cair a zero, o diodo pára de conduzir e o capacitor mantém-se carregado e descarrega lentamente em RL.

Quando a tensão de entrada fica negativa (semiciclo negativo) o diodo não conduz e o capacitor continua descarregando lentamente em RL. O capacitor recarrega 60 vezes por segundo. O capacitor carrega de Vmin até VP e neste intervalo de tempo () o diodo conduz. O capacitor descarregará de VP até Vmin e neste intervalo o diodo não conduzirá. A Forma de onda na saída está mostrada abaixo.

O voltímetro de tensão contínua indica o valor médio da tensão medida.

Aumentando o capacitor, a tensão de ondulação (Vond) diminui e VCC aumenta. A média de tensão aumenta pois o valor mínimo fica maior. Aumentando a corrente IL, a tensão de ondulação (Vond) aumenta e VCC diminui.

Se Vond tende a zero, a tensão de saída tende ao valor de pico. VCC = VP para Vond = 0V. Desligando RL, IL será 0A, o capacitor não descarregará e tem-se Vond = 0 V .

Para manter Vond com um valor baixo, ao aumentar IL, deve-se aumentar o valor do capacitor. O retificador de meia onda com filtro a capacitor é inadequado para alimentar circuitos que exigem um valor alto de corrente, pois além de utilizar um valor muito alto para o capacitor, o diodo fica sobrecarregado ao conduzir toda a corrente do circuito alimentado.

O pico inverso de tensão no diodo é o dobro da tensão de pico. PIV = --2VP O capacitor aumenta a tensão inversa no diodo devido a que o mesmo permanece carregado quando o diodo não estiver conduzindo.

A tensão Média Filtrada

Como o valor mínimo diminui quando aplicamos o capacitor na saída, teremos como valor médio de tensão, o valor de pico acrescentado da média da variação de ripple.

Vcc = Vp + ( Vrpp/2)

Onde:

Vcc => Tensão média (V)

Vp => tensão de pico da Carga (V)

Vrpp => Tensão de Ripple na carga(V)

Determinando o Capacitor

Para determinar o capacitor como filtro de saída deve-se considerar a tensão mínima de Ripple (lê-se ripol). Deverá ser considerada a frequência de saída, a tensão e a resistência da carga, tendo em vista que a carga e a descarga são dadas pela constante RC.

C = V / F R V∙ ∙ rpp

Onde:

Vrpp => Tensão admissível de ripple (V)

RL => Resistência da Carga (Ω)

F => Frequência da saída ( Em onda completa, a frequência de saída é 2 vezes a de entrada)(Hz)

V => Tensão de saída (V)

Como pela Lei de Ohm a corrente é a Tensão (V) dividido pela Resistência(R), temos:

C = I / F V∙ rpp

Onde:

Vrpp => Tensão admissível de ripple (V)

F => Frequência da saída ( Em onda completa, a frequência de saída é 2 vezes a de entrada) (Hz)

I => Corrente de saída (A)

Exercícios de Fixação

1-Sendo a o valor eficaz da tensão na saída do Trafo VAB = 20 V , RL = 470 ohms. Considere o Trafo sem center tape, os diodos ideais e a frequência de Entrada 60Hz. Determine:

a) Tensão de pico na saída.

Vp = Vef 1,4142∙

b) A Tensão média (Vcc) na saída com capacitor e Vrpp= 2 V.

VCC = 0,9.Vef

c) O capacitor (F) admitindo uma tensão de ripple igual a Vrpp =2 VC=

2-Sendo a o valor eficaz da tensão na saída do Trafo VAB = 12 V , RL = 470 ohms. Considere o Trafo com center tape, os diodos ideais e a frequência de Entrada 60Hz. Determine:

a) Tensão de pico na saída.

Vp = 2 Vef 1,4142∙ ∙

b) A Tensão média (Vcc) na saída com capacitor e Vrpp= 2 V.

VCC = 2 0,9.V∙ ef

c) O capacitor (F) admitindo uma tensão de ripple igual a Vrpp =2 VC=

Nota: em um Trafo com derivação central, utilizando um circuito de onda completa, a tensão de saída é 2 vezes o valor de referência do secundário do Trafo .

E em um retificador de onda completa a frequência de saída é o dobro, com qualquer Trafo, em um retificador de onda completa.